Β ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗΣ ΛΕΥΚΩΣΙΑΣ

Transcript

1 ΚΥΠΡΙΑΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ, ΕΜΠΟΡΙΟΥ, ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑΣ ΚΑΙ ΤΟΥΡΙΣΜΟΥ ΜΑΘΗΤΙΚΟΣ ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΟΣ ΓΙΑ ΕΡΓΑ / ΕΡΓΑΣΙΕΣ ΜΑΘΗΤΩΝ ΓΙΑ ΘΕΜΑΤΑ ΑΠΕ ΚΑΙ ΕΞΕ ΓΙΑ ΤΗ ΣΧΟΛΙΚΗ ΧΡΟΝΙΑ ΜΕΛΕΤΗ Β ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗΣ ΛΕΥΚΩΣΙΑΣ «Η μελέτη, ο σχεδιασμός και η κατασκευή μιας θερμοηλεκτρικής διάταξης για την ανάκτηση και τη μετατροπή της απορριπτόμενης θερμότητας από διάφορες πηγές θερμικής ενέργειας, σε ηλεκτρική, η αποθήκευση αυτής της ηλεκτρικής ενέργειας και η χρησιμοποίηση της κατά βούληση.» 1/38

2 ΤΥΠΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ Σχολείο: Β Τεχνική Σχολή Λευκωσίας Όνομα Διευθύντριας της Σχολής : Έλενα Τζυρκαλλή Ταχυδρομική Διεύθυνση Σχολής : Οδός Χριστάκη Χριστοφίδη Αρ. 5 Παλουριώτισσα 1020, Λευκωσία Τηλέφωνο Σχολής : Τηλεομοιότυπο Σχολής : Ηλεκτρονικό Ταχυδρομείο Σχολής : tech-scoli2-lef@schools.ac.cy Τίτλος Μελέτης: Η μελέτη, ο σχεδιασμός και η κατασκευή μιας θερμοηλεκτρικής διάταξης για την ανάκτηση και τη μετατροπή της απορριπτόμενης θερμότητας από διάφορες πηγές θερμικής ενέργειας, σε ηλεκτρική, η αποθήκευση αυτής της ηλεκτρικής ενέργειας και η χρησιμοποίηση της κατά βούληση. (Η Μελέτη συμπεριλαμβάνει και κατασκευή) ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΟΜΑΔΑΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 1. Όλα τα παιδιά (9) του τμήματος ΗΟΣ Όνομα Συντονιστή - Εκπαιδευτικού Ηλεκτρονικό Ταχυδρομείο ( ) : Παναγιώτης Χρυσανδρέας Β.Δ. : p.chrysandreas@yahoo.gr Τηλέφωνο Συντονιστή : /38

3 Εντοπισμός Προβλήματος και Βαθμός Επίλυσής του Η συγκομιδή ενέργειας από το περιβάλλον αναπτύσσεται με τεράστιο ρυθμό. Η συγκομιδή ενέργειας αποτελεί μια από τις πλέον αναδυόμενες τεχνολογίες του 21 ου αιώνα. Ως συγκομιδή ενέργειας ή αλλιώς συγκομιδή ισχύος ( Energy Harvesting, Power Scavenging ) θεωρείται η διαδικασία κατά την οποία, τοπικά διαθέσιμη ενέργεια του περιβάλλοντος χώρου, συλλέγεται για χρήση ή αποθήκευση αφού μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια. Οι πιθανές ανανεώσιμες πηγές από όπου συλλέγεται η ενέργεια είναι η ηλιακή και οποιαδήποτε άλλη φωτεινή ακτινοβολία, η σχετική κίνηση των σωμάτων, η διαφορά της θερμοκρασίας, η ροή του αέρα, η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία καθώς και ο ακουστικός θόρυβος. Συνήθως, η ποσότητα της ισχύος που συλλέγεται μέσω της συγκομιδής ενέργειας είναι της τάξης μερικών nanowatts έως και μερικές δεκάδες watts. Παρ όλο που αυτή η ποσότητα ισχύος φαντάζει αρκετά μικρή, θα μπορούσε να συμπληρώσει ή να αντικαταστήσει τη χρήση του ηλεκτρικού δικτύου ή και των μπαταριών. Η διερεύνηση των διαφόρων διαθέσιμων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας από τον περιβάλλοντα χώρο, και της βασικής αρχής λειτουργίας των, γίνεται πιο κάτω. Ενέργεια από την Ηλιακή - Φωτεινή Ακτινοβολία: Χρησιμοποιώντας την ακτινοβολία από τον ήλιο ή άλλων πηγών φωτός και εφαρμόζοντας το φωτοβολταϊκό φαινόμενο μετατρέπεται η φωτεινή ενέργεια σε ηλεκτρική. Η συγκεκριμένη μέθοδος συγκομιδής ενέργειας αποτελεί μία από τις πιο διαδεδομένες την σημερινή εποχή. Ενέργεια από Σχετικές Κινήσεις και Δονήσεις: Για την μετατροπή της κινητικής ενέργειας που παράγεται από κινήσεις ή δονήσεις σωμάτων σε ηλεκτρική ενέργεια υπάρχουν τρεις μηχανισμοί, ο ηλεκτροστατικός, ο πιεζοηλεκτρικός και ο ηλεκτρομαγνητικός. - Στον ηλεκτροστατικό ή αλλιώς χωρητικό μηχανισμό συγκομιδής ενέργειας, η ηλεκτροστατική δύναμη μεταξύ φορτισμένων σωμάτων χρησιμοποιείται για τη μετατροπή της κινητικής ενέργειας σε ηλεκτρική. - Στην πιεζοηλεκτρική μέθοδο συγκομιδής ενέργειας χρησιμοποιείται το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο για τη μετατροπή κινητικής ενέργειας σε ηλεκτρική. - Στον ηλεκτρομαγνητικό μηχανισμό, η σχετική κίνηση ενός μόνιμου μαγνητικού σώματος σε σχέση με τις σπείρες ενός πηνίου δημιουργεί μια μεταβολή του 3/38

4 μαγνητικού πεδίου κάτι που οδηγεί στην δημιουργία μιας εναλλασσόμενης τάσης στα άκρα των περιτυλιγμάτων του πηνίου. Επομένως, η λειτουργία της ηλεκτρομαγνητικής συγκομιδής ενέργειας βασίζεται στον νόμο του Faraday. Ενέργεια από Ακουστικό Θόρυβο: Ο ακουστικός θόρυβος είναι το αποτέλεσμα των κυμάτων πίεσης που δημιουργούνται από συσκευές που παράγουν δονήσεις. Υπάρχουν μερικές έρευνες στις οποίες γίνεται προσπάθεια για συγκομιδή ενέργειας από ένα περιβάλλον στο οποίο ο ακουστικός θόρυβος είναι έντονος και συνεχής. Ενέργεια από την Ροή του Αέρα: Η αιολική ενέργεια χρησιμοποιείται ευρέως σε μεγάλη κλίμακα για την παραγωγή ενέργειας εδώ και μερικές δεκαετίες. Ενέργεια από RF Ακτινοβολία: Είναι πολύ διαδεδομένη στη σημερινή εποχή η διανομή ενέργειας σε ηλεκτρονικά συστήματα μέσω της RF ακτινοβολίας ( Radio Frequency Radiation ). Τέτοια συστήματα που όλοι έχουν συναντήσει είναι οι ηλεκτρονικές ID ετικέτες σε πολυκαταστήματα. Σε αυτήν την τεχνολογία χρησιμοποιείται μια πηγή RF ακτινοβολίας που εκπέμπει με κάποια συγκεκριμένη ισχύ το σήμα της. Την ενέργεια αυτού του σήματος τη δέχονται τα διάφορα συστήματα για να εκτελέσουν κάποιες απλές λειτουργίες. Ενέργεια από Θερμοκρασιακή Διαφορά: Η συγκομιδή θερμοηλεκτρικής ενέργειας βασίζεται στο φαινόμενο Seebeck και μετατρέπει την θερμότητα που παράγεται από θερμοκρασιακή διαφορά απευθείας σε ηλεκτρισμό. Αξιολόγηση των διαφόρων Πηγών Συγκομιδής Ενέργειας και προτεινόμενη λύση: Έχοντας μελετήσει τις διάφορες Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας και τις αρχές λειτουργίας αυτών, καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι η ανάκτηση απορριπτόμενης θερμότητας από διάφορες πηγές θερμικής ενέργειας, και η μετατροπή της σε ηλεκτρική, η αποθήκευση αυτής της ηλεκτρικής ενέργειας και η χρησιμοποίηση της κατά βούληση δεν έχει χρησιμοποιηθεί σε μεγάλη κλίμακα στη Κύπρο. Τα τελευταία χρόνια, η τεχνολογία συγκομιδής ενέργειας κυρίως από θερμότητα αναπτύσσεται με τεράστιο ρυθμό. Στόχος μας λοιπόν είναι, η μελέτη, ο σχεδιασμός και η κατασκευή μιας θερμοηλεκτρικής διάταξης για την ανάκτηση και τη μετατροπή της απορριπτόμενης θερμότητας από διάφορες πηγές θερμικής 4/38

5 ενέργειας, σε ηλεκτρική, η αποθήκευση αυτής της ηλεκτρικής ενέργειας και η χρησιμοποίηση της κατά βούληση. Η τεχνολογία της συγκομιδής θερμοηλεκτρικής ενέργειας είναι να συλλέγει την ενέργεια που παράγεται όταν δύο σημεία έχουν διαφορά θερμοκρασίας και να την μετατρέπει σε ηλεκτρική ενέργεια. Η απευθείας μετατροπή αυτή γίνεται μέσω θερμοηλεκτρικών διατάξεων που ονομάζονται Θερμοηλεκτρικές Γεννήτριες (TEG s, Thermoelectric Generators). 5/38

6 ΤΟ ΘΕΡΜΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ Ιστορικό υπόβαθρο Η μελέτη των θερμοηλεκτρικών φαινομένων άρχισε το 1822, όταν ο Γερμανός φυσικός Thomas Johann Seebeck ( ), στο άρθρο του The MagneticPolarization of Metals and Ores Produced by Temperature Difference (MagnetischePlarisation der Matalle und Erze durch Temperatur-Differenz), που δημοσιεύθηκε στα πρακτικά της Πρωσικής Ακαδημίας Επιστημών, παρατήρησε ότι ένα ηλεκτρικό κύκλωμα κατασκευασμένο από δύο διαφορετικά μέταλλα, εφ όσον οι επαφές τους διατηρούνται σε διαφορετικές θερμοκρασίες, προκαλεί μια απόκλιση στην βελόνα μαγνητικής πυξίδας. Παρατήρησε ακόμη, ότι η απόκλιση της βελόνας είναι ανάλογη της διαφοράς θερμοκρασίας ανάμεσα στα δύο μέταλλα και ότι η ένταση του μαγνητικού πεδίου μεταβάλλεται για διαφορετικά ζεύγη μετάλλων στην ίδια θερμοκρασιακή διαφορά. Πειραματίστηκε με πλήθος υλικών, ανάμεσα στα οποία υπήρχαν και κάποιοι ημιαγωγοί και τα κατέταξε με βάση το γινόμενο α*σ, όπου σ η ηλεκτρική τους αγωγιμότητα. Η σταθερά αναλογίας α είναι σήμερα γνωστή, ως συντελεστής Seebeck. Ο Seebeck πίστευε ότι η θερμοκρασιακή διαφορά προκαλεί μαγνητικό πεδίο, αρνούμενος την ηλεκτρική φύση του φαινομένου, σύντομα όμως διευκρινίστηκε από τον Hans Oersted, ότι η θερμοκρασιακή διαφορά προκαλεί ηλεκτρική τάση, η οποία σε ένα κλειστό κύκλωμα παράγει ρεύμα ανάλογο της θερμοκρασιακής διαφοράς. Το ρεύμα αυτό δημιουργεί από επαγωγή το μαγνητικό πεδίο. Ο Oersted ονόμασε το φαινόμενο θερμοηλεκτρικό, ενώ ο Seebeck επέμενε στον όρο θερμομαγνητισμός. Το 1834 ο Γάλλος ωρολογοποιός Jean Charles Athanase Peltier, παρατήρησε ότι το θερμοηλεκτρικό φαινόμενο μπορεί να λειτουργήσει και προς την αντίθετη κατεύθυνση, δηλαδή η εφαρμογή μιας τάσης, δημιουργεί μια θερμοκρασιακή διαφορά ανάμεσα στα δύο διαφορετικά μέταλλα. Όπως και ο Seebeck, o Peltier δεν είχε αντιληφθεί πλήρως την φύση του φαινομένου, ισχυριζόμενος ότι δεν ισχύει για χαμηλές εντάσεις ο νόμος των Joule Lenz, που προβλέπει ότι η διέλευση ρεύματος προκαλεί εκπομπή θερμότητας. Τέσσερα χρόνια αργότερα, ο Ρώσος ακαδημαϊκός Emily Lenz, έδειξε ότι πρόκειται για αυτόνομο φυσικό φαινόμενο, που συνίσταται στην απορρόφηση ή απελευθέρωση πρόσθετης θερμότητας (πέραν της θερμότητας Joule) και η ψύξη ή θέρμανση της επαφής, εξαρτάται από την φορά του ρεύματος που διέρχεται απ αυτή. 6/38

7 Η θερμοδυναμική θεώρηση των δύο φαινομένων από τον William Thomson (μετέπειτα λόρδο Kelvin) το 1851, έδωσε μια επαρκή εξήγησή τους, έδειξε την συσχέτιση μεταξύ τους και τον οδήγησε στην πρόβλεψη ενός τρίτου φαινομένου, που σήμερα είναι γνωστό ως φαινόμενο Thomson. Στο φαινόμενο αυτό, κατά την διέλευση ρεύματος μέσα από ένα ομογενές αγώγιμο υλικό με σταθερή θερμοκρασιακή διαβάθμιση, παράγεται ή απορροφάται θερμότητα, ανάλογη με την ένταση του ρεύματος και με την θερμοκρασιακή διαβάθμιση. Σε δυο εργασίες του το 1905 και 1911 ο Γερμανός Edmund Altenkirch έδειξε ότι τα υλικά που είναι κατάλληλα για αποδοτική εφαρμογή των θερμοηλεκτρικών φαινομένων, θα πρέπει να παρουσιάζουν μεγάλη τιμή του συντελεστή Seebeck, με ταυτόχρονα χαμηλή θερμική αγωγιμότητα λ και υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα. Τα χαρακτηριστικά αυτά ενσωματώθηκαν στην τιμή Ζ=α2σ/λ που σήμερα είναι γνωστή ως ενδείκτης ποιότητας του υλικού. Στα τέλη της δεκαετίας του 30, η ανάπτυξη των συνθετικών ημιαγωγών έδωσε θερμοηλεκτρικά υλικά με συντελεστή Seebeck μεγαλύτερο κατά μια τάξη μεγέθους, σε σχέση με τα μέταλλα και κράματά τους που είχαν μελετηθεί ως τότε και το επιστημονικό ενδιαφέρον για τα θερμοηλεκτρικά φαινόμενα ανανεώθηκε. Το 1947 στα εργαστήρια της Westinghouse η Maria Telkes κατασκεύασε θερμοηλεκτρική γεννήτρια που χρησιμοποιούσε την ηλιακή θερμότητα, με βαθμό απόδοσης γύρω στο 3%. Το 1949 ο Abram Fedorovich Ioffe ανέπτυξε μια θεωρία για τα ημιαγωγά θερμοστοιχεία, η οποία χρησιμοποιείται έως σήμερα. Η έρευνα σε σύνθετους ημιαγωγούς (κυρίως για πιθανές εφαρμογές τρανζίστορ), οδήγησε σε νέα υλικά με βελτιωμένες θερμοηλεκτρικές ιδιότητες. Το 1956 ο Ioffe έδειξε ότι ο λόγος της θερμικής προς την ηλεκτρική αγωγιμότητα ενός θερμοηλεκτρικού υλικού, μπορεί να μειωθεί με την προσθήκη ενός ισόμορφου στοιχείου ή ένωσης. Την εποχή αυτή, κυρίως λόγω των πιθανών στρατιωτικών εφαρμογών της θερμοηλεκτρικής τεχνολογίας, άρχισε μια εντατική έρευνα πάνω στα υλικά, η οποία οδήγησε στην ανακάλυψη ημιαγωγών με αδιάστατο Ζ Τ που προσεγγίζει την τιμή 1,5. Σήμερα, η ανάπτυξη των θερμοηλεκτρικών υλικών και διατάξεων συνεχίζει να έχει σημαντικό ενδιαφέρον, λόγω των πιθανών εφαρμογών τους τόσο στην ανάκτηση απορριπτόμενης θερμικής ενέργειας και σε εφαρμογές ήπιων μορφών ενέργειας, όσο και στην ψύξη ευαίσθητων ηλεκτρονικών διατάξεων 7/38

8 Αρχή λειτουργίας του θερμοστοιχείου Η ανακάλυψη του θερμοηλεκτρικού φαινομένου έγινε από τον Thomas Johann Seebeck όταν, το 1821, αυτός παρατήρησε την ύπαρξη διαφοράς δυναμικού στα άκρα ενός μετάλλου όταν αυτά βρίσκονταν σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Το φαινόμενο Seebeck ορίζει ότι όταν μία ζεύξη που απαρτίζεται από διαφορετικά μεταλλικά υλικά εκτεθεί σε θερμότητα, μία Η.Ε.Δ. (V) θα αναπτυχθεί κατά μήκος της ζεύξης σε αναλογία με τη θερμοκρασία. (T). Η πρακτική σημασία του φαινομένου αποτελεί τη βάση λειτουργίας των θερμοζευγών (thermocouples) που χρησιμοποιούνται ευρέως για τη μέτρηση θερμοκρασίας σε μία πληθώρα εφαρμογών. Στην παρακάνω εικόνα παρουσιάζεται η διπλή ζεύξη ενός θερμοζεύγους. Η μία ζεύξη διατηρείται σε σταθερή θερμοκρασία τοποθετώντας τη σε υγρό άζωτο, βραστό νερό ή άλλο υλικό για να παρέχεται μία θερμοκρασία αναφοράς (T R ). Η άλλη ζεύξη όπου εκτίθεται στη θερμότητα αναπτύσσει διαφορετική θερμοκρασία (T X ) και παρατηρείται ανάπτυξη διαφοράς δυναμικού στα άκρα 1&2. 8/38

9 Γνωρίζοντας τη θερμοκρασία T R, τον συντελεστή Seebeck (a s ) που μπορεί να είναι θετική ή αρνητική ποσότητα ανάλογα με τα υλικά που χρησιμοποιούνται και μετρώντας τη διαφορά δυναμικού στα άκρα της συσκευής, η θερμοκρασία στο επιθυμούμενο σημείο (Τ X ) μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον τύπο: V = a ( T TR ) s X Όπου: V = Δυναμικό Seebeck a s = Συντελεστής Seebeck (V/C 10-6 ) T X = Θερμοκρασία στη θερμαινόμενη (ή ψυχόμενη) ζεύξη - 0 C Συνεπώς οι παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται η τάση που παράγεται από το θερμοστοιχείο είναι: (α) ο Συντελεστής Seebeck a s και (β) η Διαφορά Θερμοκρασίας Ένας, ίσως, απλός τρόπος να καταλάβει κανείς το φαινόμενο αυτό είναι αν σκεφτεί ένα κλειστό μακρόστενο δοχείο γεμάτο με αέριο. Έστω ότι τα μόρια του αερίου είναι ηλεκτρικά φορτισμένα. Αν το ένα άκρο του δοχείου θερμανθεί ενώ το άλλο ψυχθεί τότε τα ιόντα κοντά στο θερμό άκρο θ αρχίσουν να κινούνται προς το ψυχρό άκρο. Έτσι, θα παρατηρηθεί μια αύξηση στην ποσότητα των ιόντων του αερίου στο ένα άκρο του δοχείου. Αφού τα ιόντα έχουν ηλεκτρικό φορτίο, αυτό συνεπάγεται και δημιουργία διαφοράς δυναμικού μεταξύ των άκρων του δοχείου. Στη πράξη, δεν χρησιμοποιούνται αέρια αλλά αγωγοί ή ημιαγωγοί. Κι εκεί, τα ιόντα κινούνται λόγω της διαφοράς θερμοκρασίας και δημιουργούν διαφορά δυναμικού με τη συσσώρευσή τους σε κάποιο άκρο του υλικού. Αν τα ιόντα που κινούνται είναι θετικά φορτισμένα τότε το υλικό λέγεται p-type ενώ αν τα ιόντα έχουν αρνητικό φορτίο τότε το υλικό είναι n-type. Έστω ότι το υλικό του σχήματος είναι τύπου n. Δηλαδή, τα ιόντα που κινούνται με τη διαφορά θερμοκρασίας είναι αρνητικά φορτισμένα. 9/38

10 Έστω ότι εφαρμόζουμε μια διαφορά θερμοκρασίας στα άκρα του έτσι ώστε το πάνω άκρο να θερμαίνεται ενώ το κάτω άκρο να ψύχεται. Τα αρνητικά φορτία θα κινηθούν προς την ψυχρή περιοχή και έτσι η ΗΕΔ που θα δημιουργηθεί θα έχει την πολικότητα που φαίνεται στο σχήμα. Αν συνδέαμε μια αντίσταση στα άκρα του υλικού μας, θα παρατηρούσαμε ρεύμα με κατεύθυνση όπως υπαγορεύεται από την πολικότητα της πηγής που φαίνεται στο σχήμα. Ανάλογα, έστω ότι το υλικό του σχήματος είναι τύπου p. Δηλαδή, τα ιόντα που κινούνται με τη διαφορά θερμοκρασίας είναι θετικά φορτισμένα. Έστω ότι εφαρμόζουμε μια διαφορά θερμοκρασίας στα άκρα του έτσι ώστε το πάνω άκρο να θερμαίνεται ενώ το κάτω άκρο να ψύχεται. Τα θετικά φορτία θα κινηθούν προς την ψυχρή περιοχή και έτσι η ΗΕΔ που θα δημιουργηθεί θα έχει την πολικότητα που φαίνεται στο σχήμα. Αν συνδέαμε μια αντίσταση στα άκρα του υλικού μας, θα παρατηρούσαμε ρεύμα με κατεύθυνση όπως υπαγορεύεται από την πολικότητα της πηγής που φαίνεται στο σχήμα. 10/38

11 Οι διαφορές δυναμικού που παρατηρούνται στα άκρα μοναχικών υλικών είναι πολύ μικρές και έτσι είναι πολύ καλύτερο να συνδέουμε κατά σειρά τα υλικά μεταξύ τους ώστε ν αυξάνουμε την ΗΕΔ στα άκρα του κυκλώματος. Ένας απλός τρόπος σύνδεσης είναι ο παρακάτω: Η διαφορά δυναμικού που μετρά το βολτόμετρο είναι το άθροισμα των διαφορών δυναμικού στα άκρα του p type και του n type υλικού. Αν χρησιμοποιήσουμε ένα κύκλωμα που αποτελείται από τη σύνδεση τριών θερμοηλεκτρικών υλικών, όπως φαίνεται στο σχήμα του κυκλώματος παρακάτω: Δεν είναι απαραίτητο να έχουμε εναλλαγή ενός τύπου-p, ενός τύπου-n κι ενός τύπου-p. Θα μπορούσαμε να είχαμε ένα τύπου-n, ένα τύπου-p κι ένα τύπου-n. 11/38

12 Στην πρώτη περίπτωση, το θετικό άκρο του βολτόμετρου είναι συνδεδεμένο με το κρύο άκρο του υλικού και το αρνητικό άκρο του με το ζεστό, ενώ στην δεύτερη παρατηρούμε το αντίστροφο. Από την πολικότητα του βολτομέτρου, μπορούμε να βρούμε ποιο είναι το τύπου-n υλικό και ποιο το τύπου-p στο κύκλωμα. Το φαινόμενο Peltier - Seebeck Το αντίστροφο φαινόμενο, η μετατροπή, δηλαδή, της διαφοράς δυναμικού σε διαφορά θερμοκρασίας λέγεται φαινόμενο Peltier από τον Jean Charles Athanase Peltier που το ανακάλυψε κάπου 13 χρόνια μετά την παρατήρηση της ύπαρξης τους φαινομένου Seebeck. Το φαινόμενο Peltier Seebeck ή το θερμοηλεκτρικό φαινόμενο είναι η απευθείας μετατροπή διαφορών θερμοκρασίας σε ηλεκτρική τάση. Το φαινόμενο Peltier Seebeck είναι αντιστρέψιμο. Αυτό σημαίνει ότι αν κάποια διαφορά θερμοκρασίας δημιούργησε μια διαφορά δυναμικού τότε μια διαφορά δυναμικού μπορεί να προκαλέσει διαφορά θερμοκρασίας. Ξαναγυρνώντας στο αρχικό παράδειγμα με το αέριο, θεωρείστε ότι τα ιόντα του αερίου δεν κινούνται λόγω της διαφοράς θερμοκρασίας αλλά της ύπαρξης διαφοράς δυναμικού. 12/38

13 Όταν η ποσότητα των ιόντων αυξηθεί σε κάποιο άκρο του δοχείου οι κρούσεις τόσο μεταξύ τους όσο και με τα τοιχώματα του δοχείου θ αυξηθούν κι έτσι θ αυξηθεί η θερμοκρασία του αερίου στην περιοχή αυτή. Ανάλογα, θα μειωθεί η θερμοκρασία στο άλλο άκρο του δοχείου. Παρόμοια φαινόμενα παρατηρούνται στους αγωγούς ή τους ημιαγωγούς. Αρχή λειτουργίας του θερμοηλεκτρικού στοιχείου Ένα κύκλωμα για την παρατήρηση του φαινομένου Peltier φαίνεται στο σχήμα: Μια πηγή σταθερής έντασης συνδέεται με τα θερμοηλεκτρικά υλικά ώστε η φορά του ρεύματος να είναι κατά τη φορά των δεικτών του ρολογιού. Αν το υλικό Α είναι τύπου-p τότε θερμότητα θα παράγεται στο άκρο 2 ενώ θ απορροφάται στο άκρο 1. Θα έχουμε, έτσι, Τ 2 > Τ 1. Αν αλλάξουμε τη φορά του ρεύματος αλλά διατηρήσουμε το είδος των θερμοηλεκτρικών υλικών, θα παρατηρήσουμε την αντιστροφή της παραπάνω σχέσης: 13/38

14 Τ 1 > Τ 2 Ο ρυθμός μεταφοράς θερμότητας από το σημείο 2 στο 1 (αν Τ 2 > Τ 1 ) δίνεται από τον παρακάτω τύπο Όπου: Π ΑΒ Π Α, Π Β = η σταθερά Peltier του κυκλώματος και = οι σταθερές Peltier κάθε υλικού. Το φαινόμενο Peltier βρίσκει πλατιά εφαρμογή στην παραγωγή ψυκτικών διατάξεων. 14/38

15 Τα θερμοηλεκτρικά στοιχεία Υλικά που χρησιμοποιούνται: ενώσεις Βισμουθίου-Τελλουρίου, Μολύβδου- Τελλουρίου, Πυριτίου-Γερμανίου και Βισμουθίου - Αντιμονίου Το στοιχείο αποτελείται από ένα ζεύγος ημιαγωγών τύπου p και τύπου n Λειτουργία: αν δημιουργηθεί ροή ηλεκτρικού ρεύματος στην διάταξη, τότε θα υπάρξει ροή θερμότητας από την μία πλευρά στην άλλη και αντίστροφα, αν δημιουργηθεί ροή θερμότητας στην διάταξη, τότε θα υπάρξει ροή ηλεκτρικού ρεύματος από την μία επαφή στην άλλη Το απλούστερο θερμοηλεκτρικό στοιχείο (Thermoelectric Element ΤΕ Element), που μπορεί να είναι Θερμοηλεκτρική Γεννήτρια TEG (Thermoelectric Generator) ή Θερμοηλεκτρικός Ψύκτης TEC (Thermoelectric Cooler), μπορεί να κατασκευαστεί από δύο παραλληλεπίπεδα τεμάχια θερμοηλεκτρικού υλικού, όπου το ένα είναι τύπου-p ενώ το άλλο τύπου-n. Οι επίπεδες επιφάνειές τους, συνδέονται ηλεκτρικά με μεταλλικούς αγωγούς, όπως στο σχήμα που ακολουθεί. 15/38

16 Τα υλικά τύπου-p μεταφέρουν την θερμότητα προς την ίδια κατεύθυνση με τη φορά του ηλεκτρικού ρεύματος, ενώ τα τύπου-n προς την αντίθετη. Επομένως, στη διάταξη του σχήματος, οι κάτω επιφάνειες απορροφούν θερμότητα και ψύχονται, ενώ οι επάνω δέχονται την μεταφερόμενη θερμότητα και θερμαίνονται. Αντίστοιχα, θα μπορούσε να κατασκευαστεί θερμοηλεκτρικό στοιχείο με την χρήση δύο τεμαχίων τύπου-p (ή δύο τύπου-n). Στην περίπτωση όμως αυτή όπως φαίνεται στο σχήμα πιο κάτω, οι μεταλλικοί αγωγοί σχηματίζουν ανεπιθύμητες θερμογέφυρες και η πολυπλοκότερη ηλεκτρική συνδεσμολογία δημιουργεί κατασκευαστικά προβλήματα, ειδικά όταν πρόκειται να συνδεθούν περισσότερα των δύο θερμοστοιχεία. Θερμοηλεκτρικές συστοιχίες (TE modules) 16/38

17 Αποτελούνται από πολλά θερμοηλεκτρικά στοιχεία (ζεύγη), τα οποία ηλεκτρικά συνδέονται σε σειρά, ενώ θερμικά παράλληλα. Χρησιμοποιούνται για: Ψύξη-θέρμανση (φαινόμενο Peltier) Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας (φαινόμενο Seebeck) Οι θερμοηλεκτρικές συστοιχίες (ΤΕ modules) κατά κανόνα κατασκευάζονται ως συστοιχία p/n θερμοηλεκτρικών στοιχείων, τα οποία είναι συνδεδεμένα μεταξύ τους ηλεκτρικά σε σειρά, ενώ θερμικά παράλληλα όπως φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί. Δύο κεραμικές πλάκες στην επάνω και κάτω πλευρά, εξασφαλίζουν την ηλεκτρική μόνωση των στοιχείων και την μεταφορά της θερμότητας. Σχηματικό διάγραμμα θερμοηλεκτρικής διάταξης. 17/38

18 Τα θερμοηλεκτρικά στοιχεία συνδέονται ηλεκτρικά σε σειρά και θερμικά παράλληλα Οι θερμοηλεκτρικές διατάξεις που διατίθενται εμπορικά, περιέχουν από ένα ζεύγος έως μερικές εκατοντάδες θερμοστοιχεία από βισμούθιο-τελλούριο (Bi 2 Te 3 ), ενώ για την επίτευξη υψηλότερης θερμοκρασιακής διαφοράς (Δ Τ ) στην ψύξη, κατασκευάζονται διατάξεις περισσοτέρων του ενός (έως και έξι) επιπέδων, όπως φαίνεται πιο κάτω. 18/38

19 Αρχή Λειτουργίας Θερμοηλεκτρικών Γεννητριών (TEG s) Η μετατροπή της θερμικής ενέργειας, που εμφανίζεται ως ροή θερμότητας από σώματα υψηλής προς σώματα χαμηλότερης θερμοκρασίας, σε ηλεκτρική ενέργεια, γίνεται μέσω του φαινόμενο Seebeck χρησιμοποιώντας θερμοηλεκτρικά στοιχεία που ονομάζονται Θερμοηλεκτρικές γεννήτριες. Στις σύγχρονες θερμοηλεκτρογεννήτριες υπάρχουν συνήθως 74, 128 ή 172 θερμοζεύγη, που συνδέονται ηλεκτρικά σε σειρά και παράλληλα θερμικά, για μεγαλύτερη απόδοση. 19/38

20 Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, οι θερμοηλεκτρικές γεννήτριες βασιζόμενες την λειτουργία τους στο φαινόμενο Seebeck παράγουν ηλεκτρισμό. Από την άλλη πλευρά, οι διατάξεις που χρησιμοποιούν το φαινόμενο Peltier για να ψύξουν ή να θερμάνουν μια επιφάνεια ονομάζονται θερμοηλεκτρικές ψήκτρες ή Peltier ψήκτρες (TEC, Thermoelectric ή Peltier Cooler ). Οι θερμοηλεκτρικές ψήκτρες είναι όμοιες κατασκευαστικά διατάξεις με τις θερμοηλεκτρογεννήτριες και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ίδια ακριβώς λειτουργία. Η διαφορά τους είναι ότι οι θερμοηλεκτρικές ψήκτρες είναι κατασκευασμένες από διαφορετικά θερμοηλεκτρικά υλικά που είναι πιο κατάλληλα και αποτελεσματικά για την θέρμανση ή ψύξη επιφανειών με την εφαρμογή του φαινομένου Peltier παρά για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Χαρακτηριστικά και Ιδιότητες Θερμοηλεκτρικών Γεννητριών Τα πλέον σημαντικά χαρακτηριστικά μιας θερμοηλεκτρικής γεννήτριας είναι η παραγόμενη τάση ανοικτού κυκλώματος και η μέγιστη παραγόμενη ισχύς. Η παραγόμενη ισχύς των θερμοηλεκτρικών στοιχείων περιορίζεται σε μεγάλο βαθμό από την ισοδύναμη αντίσταση σειράς R του θερμοζεύγους καθώς επίσης και από την απόδοση μετατροπής ισχύος που ορίζεται ως το πηλίκο της παραγόμενης ισχύς προς την συνολική ροή θερμότητας. 20/38

21 Η ισοδύναμη αντίσταση σειράς μιας θερμοηλεκτρικής γεννήτριας περιορίζει το ρεύμα με το οποίο μπορεί να τροφοδοτηθεί ένα φορτίο. Η απόδοση μετατροπής ισχύος είναι το ποσό της θερμότητας που μπορεί να μετατραπεί σε ωφέλιμη ηλεκτρική ενέργεια. Μετά από έρευνες αποδείχθηκε ότι για την αποδοτικότερη λειτουργία των θερμοηλεκτρικών γεννητριών, οι κρίσιμες παράμετροι των χρησιμοποιούμενων θερμοηλεκτρικών υλικών ενός θερμοζεύγους είναι ο υψηλός συντελεστής Seebeck S, η υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα σ και η χαμηλή θερμική αγωγιμότητα k. Πολλές φορές για να την σύγκριση θερμοηλεκτρικών γεννητριών που είναι κατασκευασμένα από διαφορετικά υλικά θερμοζευγών, χρησιμοποιείται ένας συντελεστής που περιέχει όλες τις παραπάνω παραμέτρους. Ο πιο διαδεδομένος συντελεστής που χρησιμοποιείται ως επί των πλείστων στην βιβλιογραφία δίνεται από την παρακάτω σχέση : Ο συντελεστής αυτός εξαρτάται από την μέση θερμοκρασία λειτουργίας του θερμοζεύγους. Με την βελτίωση των χαρακτηριστικών των υλικών αυξάνεται ο συντελεστής ZT ενώ ταυτοχρόνως αυξάνεται η παραγόμενη ισχύς και η απόδοση των θερμοηλεκτρικών γεννητριών. Συνηθισμένες τιμές του συντελεστή ZΤ από θερμοζεύγη εμπορικών θερμοηλεκτρογεννητριών σε θερμοκρασία δωματίου στην σημερινή εποχή είναι 0,6 με 0,8 ενώ έχουν κατασκευασθεί και γεννήτριες με την τιμή του ZΤ να ξεπερνάει ακόμα και το 3. Σχεδιαστικές αρχές μιας θερμοηλεκτρικής διάταξης που θα χρησιμοποιηθεί ως γεννήτρια Επιλογή του καταλληλότερου τύπου των TEG-modules Μεγιστοποίηση των θερμικών ροών διαμέσου του TEG και η ελαχιστοποίηση των θερμικών ροών που παρακάμπτουν το TEG. Επιλογή των βέλτιστων εναλλακτών θερμότητας Επιμελημένη συναρμολόγηση της διάταξης. 21/38

22 Τα βασικά πλεονεκτήματα των Θερμοηλεκτρικών Γεννητριών Δεν έχουν κινούμενα μέρη, επομένως απαιτείται ελάχιστη συντήρηση. Η διάρκεια ζωής τους ξεπερνά τις ώρες. Δεν περιέχουν χλωροφθοράνθρακες ή άλλα υλικά που χρειάζονται περιοδική αναπλήρωση και έχουν αρνητικές περιβαλλοντολογικές συνέπειες. Η λειτουργία τους δεν εξαρτάται από την θέση και την κλίση τοποθέτησης. Μπορούν να λειτουργήσουν σε συνθήκες κενού. Δεν εκπέμπουν διοξείδιο του άνθρακα Εφαρμογές των Θερμοηλεκτρικών Γεννητριών (TEG) Σε περιπτώσεις μετατροπής απορριπτόμενης θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική και σε απομακρυσμένες περιοχές εκτός δικτύου, όπου χρειάζεται ηλεκτρική ενέργεια, η χρήση τους μπορεί να αποβεί συμφέρουσα, παρά τον μικρό τους βαθμό απόδοσης. Έτσι υπάρχουν εκτεταμένες εφαρμογές των TEG στην διαστημική τεχνολογία και φαίνεται πολύ πιθανή η χρήση τους για ανάκτηση απορριπτόμενης ενέργειας από θερμοηλεκτρικούς σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και από τους κινητήρες εσωτερικής καύσης των αυτοκινήτων 22/38

23 Μεθοδολογία, Προσέγγιση και Σχεδιασμός της Προτεινόμενης Λύσης Προσδιορίζοντας το πρόβλημα, δηλαδή την ανάκτηση και τη μετατροπή της απορριπτόμενης θερμότητας από διάφορες πηγές θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική, την αποθήκευση αυτής της ηλεκτρικής ενέργειας και τη χρησιμοποίηση της κατά βούληση, θέσαμε το χρονοδιάγραμμα των ενεργειών για να υλοποιηθεί το όλον έργο (Παράτημα Ι: α) Χρονοδιάγραμμα Ενεργειών). Η τεχνολογία συγκομιδής ενέργειας από θερμοκρασιακή διαφορά (θερμοηλεκτρικής ενέργειας), και η απευθείας μετατροπή σε ηλεκτρική, γίνεται μέσω θερμοηλεκτρικών διατάξεων που ονομάζονται Θερμοηλεκτρικές Γεννήτριες (TEG s). Τώρα έχουμε να επιλέξουμε τις πιο κατάλληλες Θερμοηλεκτρικές Γεννήτριες (TEG s). Για την σωστή επιλογή των Θερμοηλεκτρικών Γεννητριών (ΤΕG s) θα πρέπει να ξέρουμε τις ενεργειακές μας ανάγκες και τη θερμοκρασία στα τοιχώματα της πηγής θερμικής ενέργειας. Τα στοιχεία θερμοηλεκτρικής γεννήτριας (Thermoelectric Generating Modules) τοποθετούνται μεταξύ δύο πλακών, που χρησιμεύουν η μεν πρώτη για τη μετάδοση της θερμότητας προς τα στοιχεία θερμοηλεκτρικής γεννήτριας και η δε δεύτερη για την αποβολή της θερμότητας από τα στοιχεία θερμοηλεκτρικής γεννήτριας. Η πλάκα για την αποβολή της θερμότητας από τα στοιχεία θερμοηλεκτρικής γεννήτριας ονομάζεται Ψύκτρα. Για την καλύτερη κυκλοφορία του αέρα που έρχεται σε επαφή με την ψύκτρα και την ψύχει, τοποθετούμε ένα ανεμιστηράκι το οποίο αυτοτροφοδοτείται από την παραγόμενη τάση. Η θερμοκρασία των τοιχωμάτων της πηγής θερμικής ενέργειας θα πρέπει να είναι κατά μέσον όρο C. Από τα στοιχεία που συλλέξαμε και εξετάζοντας τις τεχνικές προδιαγραφές διαφόρων στοιχείων θερμοηλεκτρικής γεννήτριας καταλήξαμε στο συμπέρασμα να χρησιμοποιήσουμε από την Thermonamic Electronics (Jiangxi) Corp., Ltd στοιχεία της θερμοηλεκτρικής γεννήτριας TEHP (Παράρτημα Ι β Τεχνικές προδιαγραφές του στοιχείου TEHP ). Από τα στοιχεία των τεχνικών προδιαγραφών του στοιχείου (Παράρτημα Ι β) καταλήξαμε στο συμπέρασμα να χρησιμοποιήσουμε τέσσερα στοιχεία συνδεδεμένα σε σειρά της θερμοηλεκτρικής γεννήτριας TEHP και έτσι διαμορφώσαμε το κύκλωμα της συσκευής όπως φαίνεται στο (Παράρτημα Ι γ Ηλεκτρικό Κύκλωμα Συσκευής). Το ανεμιστηράκι τροφοδοτείται μέσω ενός γραμμικού ρυθμιστή τάσης (Linear Voltage Regulator) 12V 1.5A L7812CV και ο λόγος είναι ότι παραγμένη τάση μπορεί να υπερβεί τα 12V και να υπερθερμάνει το ανεμιστηράκι. 23/38

24 Οι ακροδέκτες 1 και 2 τροφοδοτούν το φορτίο και ως εκ τούτου τροφοδοτούνται μέσω ενός γραμμικού ρυθμιστή τάσης (Linear Voltage Regulator) 12V 3A KA78T12. Ο λόγος είναι ότι παραγμένη τάση μπορεί να υπερβεί τα 12V και το φορτίο να βρεθεί κάτω από υπέρταση. Μεταξύ των ακροδεκτών 2 και 3 έχουμε τάση που υπερβαίνει τα 12V και μπορεί αυτή η τάση να χρησιμοποιηθεί για την φόρτιση μπαταρίας. Εξετάζοντας τις Τεχνικές Προδιαγραφές του θερμοηλεκτρικού στοιχείου TEHP (Παράρτημα Ι β) έγινε και η επιλογή του μεγέθους της πλάκας μετάδοσης της θερμότητας προς τα τέσσερα στοιχεία θερμοηλεκτρικής γεννήτριας και της πλάκας αποβολής της θερμότητας (ψήκτρας) από τα τέσσερα στοιχεία της θερμοηλεκτρικής γεννήτριας TEHP , ως επίσης και του τρόπου συναρμολόγησης των στοιχείων. Έτσι η πλάκα μετάδοσης της θερμότητας έχει διαστάσεις 100mmX240mmX10mm και η ψήκτρα 100mmX200mmX45mm. Έχοντας όλα τα δεδομένα στα χέρια μας έγιναν τα κατασκευαστικά σχέδια (Παράρτημα ΙΙ) για την πλάκα μετάδοσης της θερμότητας (Σχ1) προς τα στοιχεία θερμοηλεκτρικής γεννήτριας, την πλάκα για την αποβολή της θερμότητας (ψύκτρα) (ΣΧ2) από τα στοιχεία θερμοηλεκτρικής γεννήτριας και το κάλυμμα της κατασκευής (Σχ3) που θα συνγκρατεί και το ανεμιστηράκι και τον τερματισμό των καλωδίων. 24/38

25 Κατασκευή - Υλικά και Εργαλεία Κατά το σχεδιασμό, αποφασίστηκε να γίνει η συσκευή με τρόπο ώστε να είναι εύκολη η χρήση της για διάφορες πηγές θερμότητας. Για το σκοπό αυτό προστέθηκαν στη βάση της συσκευής τέσσερεις τρύπες για το ενδεχόμενο στερέωσης της συσκευής σε επιφάνειες που εκλύουν θερμότητα, όπως πχ σε ψησταριές και τζάκια. Η συσκευή μπορεί να τοποθετηθεί επάνω σε σόμπες ξύλων και σόμπες πετρελαίου. Η συσκευή μεταφέρεται εύκολα και στερεώνεται εύκολα σε βάση που μπορεί να δεχθεί τη συσκευή. Οι ακροδέκτες σχεδιάστηκαν ώστε (α) όταν η συσκευή τροφοδοτεί απευθείας φορτίο να χρησιμοποιείτε ένα σετ ακροδεκτών που ενώνετε στα σημεία 1 και 2 της συσκευής και (β) όταν η συσκευή χρησιμοποιείτε για τη φόρτιση μπαταρίας να χρησιμοποιείτε ένα δεύτερο σετ ακροδεκτών που ενώνετε στα σημεία 2 και 3 της συσκευής. Κατά τη δοκιμή της συσκευής: α) σε ψησταριά καρβούνων με πυρακτωμένα κάρβουνα πετύχαμε τάσην εξόδου μέχρι και 9.5V. Αρκετά ικανοποιητική τάση για λειτουργία του κινητήρα της σούβλας. β) σε σόμπα πετρελαίου, πετύχαμε τάσην εξόδου μέχρι και 14.5V. Αρκετά ικανοποιητική τάση για φόρτιση μπαταρίας. γ) σε ηλεκτρική κουζίνα με κεραμική εστία σε μέγιστη ένταση θερμότητας, πετύχαμε τάσην εξόδου μέχρι και 15.5V. Αρκετά ικανοποιητική τάση για φόρτιση μπαταρίας. 25/38

26 Εμπλοκή των μαθητών στα στάδια υλοποίησης Η εμπλοκή των μαθητών σε όλα τα στάδια υλοποίησης της κατασκευής φαίνεται από το Παράρτημα I α) Χρονοδιάγραμμα Ενεργειών. Οι δεξιότητες που αποκτήθηκαν μέσα από το έργο είναι: Προγραμματισμός του έργου, Προϋπολογισμός του κόστους, Καταμερισμός ευθυνών, Έρευνα για την επιλογή της καταλληλότερης πηγής ενέργειας για τη λειτουργία της Συσκευής, Συλλογική εξαγωγή συμπερασμάτων, Μετρήσεις ενεργειακών αναγκών φορτίου, Μέτρηση θερμοκρασιών επιφανειών, Μελέτη των τεχνικών προδιαγραφών των Θερμοηλεκτρικών Γεννητριών και εφαρμογή αυτών στο σχεδιασμό του ηλεκτρικού κυκλώματος της συσκευής, Μελέτη των τεχνικών προδιαγραφών των Θερμοηλεκτρικών Γεννητριών και εφαρμογή αυτών στο σχεδιασμό της συσκευής, Σχεδιασμός και Κατασκευή των διαφόρων μερών της συσκευής, Επιλογή έτοιμων εξαρτημάτων αναγκαίων για την συσκευή, Συναρμολόγηση της συσκευής, Χρήση διαφόρων εργαλείων και οργάνων, Δοκιμή της συσκευής, μετρήσεις και εξαγωγή συμπερασμάτων. 26/38

27 Πίνακας Υλικών Α/Α Περιγραφή Ποσότητα Μονάδα 1 Στοιχείο Θερμοηλεκτρικής Γεννήτριας 4 Τεμ. Thermonamic Electronics (Jiangxi) Corp., Ltd TEHP Πλάκα Αλουμινίου 1 Τεμ. 100mmX240mmX10mm 3 Ψήκτρα 99mmX200mmX45mm 1 Τεμ. 4 Ανοξείδωτες Βίδες 22 Τεμ. 5 Ανεμιστηράκι 90mmX90mm 12V DC 1 Τεμ. 2W SUNON EE92251-S A99 6 Γραμμικός Ρυθμιστής Τάσης (Linear 1 Τεμ. Voltage Regulator) 12V 1.5A L7812CV 7 Γραμμικός Ρυθμιστής Τάσης (Linear 1 Τεμ. Voltage Regulator) 12V 3A KA78T12 8 B-7 Grid for Fan 1 Τεμ. Y-73P 3Pin Plug 1 Τεμ. Y-73J 3Pin Chassis Socket 1 Τεμ. 9 Κάλυμμα κατασκευής 1 Τεμ A 12V/24V Battery Charge Controller 1 Τεμ. 27/38

28 Προβολή των αποτελεσμάτων στη ευρύτερη μαθητική κοινότητα του σχολείου Οργανώθηκε στο σχολείο με θέμα το θερμοηλεκτρικό φαινόμενο και έγινε επίδειξη της θερμοηλεκτρικής γεννήτριας σε όλα τα τμήματα της ηλεκτρολογίας. Προβολή της εργασίας και των αποτελεσμάτων του στην τοπική κοινότητα, τρόποι ευρύτερης προβολής, προοπτικές μεγαλύτερης αξιοποίησης του έργου και των αποτελεσμάτων του από την τοπική ή την ευρύτερη κοινωνία Έχει προγραμματιστεί από τη διεύθυνση της σχολής να χρησιμοποιηθεί η κατασκευή σαν το προϊόν που θα συμμετάσχει στο διαγωνισμό του Junior Achievement Cyprus Company of the Year για τη σχολική χρονιά και την πώλησή του στην κυπριακή αγορά. 28/38

29 Παράρτημα I α) Χρονοδιάγραμμα Ενεργειών 29/38

30 β) Τεχνικές Προδιαγραφές του θερμοηλεκτρικού στοιχείου TEHP Το στοιχείο θερμοηλεκτρικής γεννήτριας TEHP mmX40mm, είναι βασικά κατασκευασμένο από Βισμούθιο Τελλούριο (Bi-Te) και μπορεί να εργαστεί σε θερμοκρασίες έως και 330 C (626 F) συνεχόμενα και διακοπτόμενα έως και 400 C (752 F). Το στοιχείο θα παράγει Συνεχές Ρεύμα όταν μεταξύ των δύο πλευρών του υπάρχει θερμοκρασιακή διαφορά. Περισσότερη ισχύς θα παράγεται όταν η θερμοκρασιακή διαφορά μεγαλώσει και θα αυξηθεί έτσι και η αποδοτικότητα του στοιχείου που μετατρέπει την ενέργεια της θερμότητας σε ηλεκτρισμό. Το στοιχείο έχει επικολλημένα φύλλα θερμικού γραφίτη στις πλευρές του τα οποία παρέχουν χαμηλή θερμική αντίσταση και κατά συνέπεια δεν είναι αναγκαία η εφαρμογή θερμικής πάστας στις πλευρές κατά την εφαρμογή του στοιχείου στην κατασκευή. 30/38

31 31/38

32 Σημαντικό: η κρύα πλευρά του στοιχείου να μην υπερβεί τους 190 C. Στερέωμα των στοιχείων: Τα στοιχεία στερεώνονται χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της συμπίεσης. Δηλαδή το στοιχείο συμπιέζεται μεταξύ της ζεστής πλάκας και της ψήκτρας. Η συμπίεση γίνεται με ανοξείδωτες βίδες στις δύο πλευρές του στοιχείου. Δυνάμεις Συμπίεσης: Ο πίνακας πιο κάτω μας δίνει τη δύναμη συμπίεσης για το στοιχείο, που είναι αναγκαία για την καλύτερη παραγωγή ενέργειας και θερμικής επαφής. Κωδικός Μέγεθος σε mm Δύναμη Συμπίεσης Διάμετρος Βίδας / Αριθμός Βιδών / Ροπή ανά Βίδα ΤΕHP X40 240Kgs / 500Pounds 4mm / 2 / 0.128ΚgΧm 32/38

33 Η ροπή ανά βίδα μπορεί να υπολογιστή περίπου χρησιμοποιώντας τον πιο κάτω τύπο: Ρ οπή ανα Βίδα( inch lbs) = (0.2) ( Δ ά ι μετρο Βίδας ) ( Πίεση) ( Επιφάνεια Στοιχείου) ( Αριθμός Βίδων ) Θέση των Βιδών: Τοποθετούνται οι τρύπες των βιδών στην κατασκευή ούτως ώστε να είναι στις απέναντι πλευρές του κέντρου του στοιχείου, σε απόσταση από την πλευρά του στοιχείου 1.5mm μέχρι 13mm. Διαδικασία Συμπίεσης : Πριν γίνει το βίδωμα των βιδών, εφαρμόζεται ελαφρύ φορτίο (δύναμη) στο κέντρο του στοιχείου χρησιμοποιώντας σφικτήρα ή βάρος. Βιδώνουμε προσεκτικά τις βίδες με ειδικό εργαλείο που περιορίζει τη ροπή, με μικρά σφιξίματα και εναλλάσσοντας το βίδωμα από βίδα σε βίδα. Ελέγχουμε τη ροπή των βιδών μετά από 1-2 ώρες και μετά από μερικές ώρες χρήσης της συσκευής. 33/38

34 γ) Ηλεκτρικό κύκλωμα συσκευής 34/38

35 Παράρτημα II α) Κατασκευαστικά σχέδια 35/38

36 36/38

37 37/38

38 β) Φωτογραφίες Συσκευής 38/38